改革開放40年后，碳纖維進入一個新的發(fā)展階段。它正在從“能用”向“好用”和“用得起”的階段繼續(xù)攻關。
久攻不克
碳纖維（CF）是一種含碳量在93%以上的高強度、高模量新型纖維材料。由于它最早應用在航空航天、軍工等領域，是國家戰(zhàn)略性新興材料之一。國外一直對我國禁運高端碳纖維。自“十五”以來，因涉及國防安全，碳纖維被列為國家重點發(fā)展的新材料，國家給予高度重視。近年來，隨著碳纖維制備關鍵技術的不斷突破，其應用領域逐漸擴展到體育休閑、風力發(fā)電、汽車輕量化等領域。
《經濟》記者采訪多位在一線攻關的科研人員后，深深地感受到他們對碳纖維技術攻關的鍥而不舍和令人肅然起敬的國家情懷。
“沒有10年的臥薪嘗膽，做不出來高性能碳纖維?！鄙綎|大學材料學院高分子材料研究所所長、山東省碳纖維工程技術研究中心副主任朱波這樣告訴《經濟》記者。
“1966-1976 年間，科學家們曾研究過酚醛、苯酚甲醛、呋喃類樹脂、聚萘乙酸……聚乙烯醇和聚醋酸乙烯酯等20多種有機物，但它們都沒有作為碳纖維前驅體的商業(yè)開發(fā)價值?！避娛驴茖W院系統(tǒng)工程研究院的周宏在《日本碳纖維技術發(fā)展史研究》一文中有這樣的描述。我們從中能感覺到，尋找高性能碳纖維的制備方法曾讓全世界的科學家、科研人員“抓狂”。
“碳纖維的研究起源于日本、美國，英國的科研人員通過工藝創(chuàng)新，賦予了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維（以下簡稱‘PAN基碳纖維’）優(yōu)異的力學性能。作為一種新的材料研究，啟發(fā)了中國的科研人員，跟著開始研究，但那時的科研并不在國家統(tǒng)一規(guī)劃和管理下，更多的是自由分散式的?！北本┗ご髮W材料科學與工程學院副院長、國家碳纖維工程技術研究中心主任徐樑華這樣告訴《經濟》記者。
據資料顯示，美國人曾嘗試使用它制備高模量碳纖維，但沒有成功。日本的進藤昭男抓住了美國人留下的這一機遇并取得了成功。1959 年9 月，進藤昭男向日本專利局提出了一項PAN基碳纖維生產工藝技術的專利申請。
1970年6月，日本東麗公司獲得了大阪工業(yè)技術試驗所的專利授權，并收購了東海碳素公司和日本碳素公司的相關生產技術，經過一系列小試、中試，于次年制備出了高性能PAN基碳纖維。時至今日，它依然是世界領先的碳纖維公司。
值得注意的是，PAN基碳纖維從實驗室到東麗公司規(guī)模化生產也經歷了漫長的12年。
“上個世紀70年代，我們只落后日本三四年。我們下了很大功夫。到80年代，日本碳纖維突飛猛進。90年代以后，美國在碳纖維推廣應用上進展飛速。但這段時間，我們在碳纖維應用方面的進展較少?！敝袊茖W院山西煤炭化學研究所一位科研人員這樣告訴《經濟》記者。
在回顧上個世紀70年代國外的碳纖維發(fā)展情況之后，我國在當時也發(fā)生了一個標志性的事件。1975年11月，時任國防科工委主任的張愛萍將軍主持的“7511”會議上，確定PAN碳纖維為戰(zhàn)略核武器的關鍵材料，組織了全國力量進行科技攻關?！?511”會議是中國碳纖維行業(yè)的一次標志性會議，也標志著碳纖維的科研工作被納入國家統(tǒng)一規(guī)劃。
不過，當時我們面臨的困難也不少。外因有國外的技術封鎖，內因主要是由于中國部委制分割過細，把碳纖維這一集成的技術，分割到各個部委去抓，導致科研效果不佳。
由于種種原因，“7511”會議之后的20多年里，中國碳纖維行業(yè)一直找不到一個有序發(fā)展的技術途徑。我國有各種技術路線，但都不是頂尖的。那段時期，代表中國碳纖維水平的是吉林石化的硝酸法原絲制備工藝，但它也有明顯的缺點，比如在工程放大的時候，它只能在低溫下操作，否則容易爆炸，而且硝酸腐蝕性強，碳纖維的性能波動較大，產能也十分有限。
很長一段時間，碳纖維行業(yè)都徘徊在沉寂期里?？蒲腥藛T依然默默付出，因為他們一直鉚足勁，希望終有一日中國的碳纖維能夠超越日本。
曙光與攻克
1999年，南斯拉夫科索沃戰(zhàn)爭爆發(fā)。這是在以美國為首的北約的推動下發(fā)生的一場高技術局部戰(zhàn)爭。國內專家意識到，作為重要軍事武器的原材料碳纖維的重要性以及研制高性能碳纖維的緊迫性。
在2000年前后，一方面，國際封鎖嚴酷，碳纖維奇缺；另一方面，國產碳纖維的性能不穩(wěn)定，無法滿足軍方要求。在這種情況下，戰(zhàn)略科學家、兩院院士師昌緒先生提出要自主發(fā)展碳纖維。
曾經從事碳纖維管理工作的李克健撰文回憶那段歷史：“2001年1月，師昌緒先生給江澤民主席寫了‘關于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告’，報告批轉到了國家計委和科技部等部門。此舉產生較大反響，對以后的經費落實起到了決定性影響。”
2002年，科技部設立國家863計劃的碳纖維關鍵技術專項——304專項，撥款1億元，集中資源、瞄準技術關鍵開展集約攻關。業(yè)內人士普遍認為，如果沒有國家大力支持，碳纖維技術發(fā)展不了這么快。
“當時的形勢很嚴峻。為了盡快做出碳纖維，科技部在設立研發(fā)項目的同時，成立了測試專家組，每3個月到攻關單位現(xiàn)場抽樣一次，送第三方檢驗進行盲測盲評?？萍疾吭O立信息搜集專項課題，收集匯總全世界的碳纖維及原絲相關知識產權信息，給碳纖維及其原絲研發(fā)提供了強有力的支撐。”朱波回憶說。
在原化學工業(yè)部和科技部立項支持下，北京化工大學于2000年突破了二甲基亞砜法原絲工藝?！爱敃r我們在實驗室階段，突破了一個與東麗公司類似的技術，盡管工藝有些粗糙，但增強了我們的信心。后來吉林石化以此為依據開始了工程化技術研究，原來的硝酸法被二甲基亞砜法替代了。”徐樑華回憶說。
其實，科研人員很清楚，實驗室階段離產業(yè)化還有很長的距離。在采訪過程中，幾位專家都不約而同地提到了科工委的“一條龍”項目管理流程發(fā)揮了重要作用。2005年，國防科工委（現(xiàn)為國家國防科技工業(yè)局）提出把碳纖維研究從技術推動變成需求牽引的“一條龍”項目管理流程。徐樑華向記者解釋，這促使碳纖維人轉變了思維和理念?！把兄粕a碳纖維是為了某種領域應用而服務的，碳纖維人應該站在應用的角度審視碳纖維的制備，這對碳纖維的發(fā)展起到了至關重要的作用。碳纖維技術研發(fā)‘一條龍’模式的示范意義很大，以后國內關鍵材料的發(fā)展都采用了這一模式?！?/p>
從2000年到2005年是碳纖維打基礎的階段。一方面，繼續(xù)高性能化的技術研發(fā)，突破了碳纖維T700的制備工藝，同時關注碳纖維的工程化技術研究。2005年，碳纖維T300率先完成了工程化條件建設和基本工藝突破，應用牽引的一條龍研究模式得以有條件實施。到2008年，宇航級的碳纖維T300實現(xiàn)了國產化保障。這也意味著，國產碳纖維在特定領域的應用可以替代進口了。
2009年，國內很多單位都上線了碳纖維。當年有20多家企業(yè)具備碳纖維T300系列的生產能力。但是日本采取了降價傾銷策略，碳纖維T300開始大幅降價，對我國碳纖維企業(yè)造成了嚴重的打擊。
“日本東麗公司于1969年實現(xiàn)了T300碳纖維的規(guī)?；a，1986年實現(xiàn)了T1000碳纖維的產業(yè)化生產，一線科研專家清楚地知道我們與國外的差距。國家多個部委從‘十五’到‘十二五’連續(xù)設立專項支持碳纖維發(fā)展，我國碳纖維研究人員和企業(yè)家不負眾望，在國家總體投資不大的前提下，光威拓展、中復神鷹、丹陽恒神、吉林碳谷等幾家基礎條件好的企業(yè)實現(xiàn)了通用碳纖維的規(guī)?；a。”朱波這樣告訴記者。
2015年以后，國家相關專項已從“碳纖維關鍵技術專項”更名為“高性能纖維及復合材料重點專項”，將碳纖維產業(yè)鏈進行延伸。直到現(xiàn)在，我國仍將高性能碳纖維視為重點發(fā)展的新材料。
從總體來看，碳纖維行業(yè)的基礎建立在計劃經濟時代。正是由于國家意志和財政資金的支持，以及民營資本的介入，才共同支撐起碳纖維行業(yè)的發(fā)展。
攻關仍在路上
從碳纖維的發(fā)展歷程來看，我們發(fā)現(xiàn)國家的引導和總體戰(zhàn)略部署對碳纖維行業(yè)的發(fā)展起到至關重要的作用。同時，立足自主研發(fā)是永遠不變的主題。
“在‘十五’期間，‘863’碳纖維項目的驗收十分嚴苛。當時有3個單位承擔課題攻關，科技部專門成立測試組。在測試時，由第一撥測試小組人員直接到現(xiàn)場取樣，多家取樣、標記編號之后，徹底打亂次序，統(tǒng)一由第二撥人員送到指定的檢測單位。在送檢的樣品中，再混上日本的碳纖維，同樣打亂編號，統(tǒng)一檢測后，再根據測試號對出是哪家單位的原絲和碳纖維，最后才公布結果。到現(xiàn)在來看，這種競爭模式，讓碳纖維的研發(fā)基礎打得很牢固?！敝觳ɑ貞浾f。
在碳纖維發(fā)展過程中，最值得稱頌與弘揚的是科研人員的拼搏精神。他們沒日沒夜地加油干。教授、專家與工程人員、技術人員到一線干活。高校、研究機構、企業(yè)聯(lián)動，如同一家人一樣共同申請課題搞科研。大家始終撇開個人利益，秉持國家情懷，將技術和產業(yè)化攻關放在首位。而這些都是碳纖維成功的寶貴經驗。
然而，我們仍要看到國產碳纖維與國外的差距。如果與日本對標，目前國產碳纖維在核心技術、產業(yè)化水平的穩(wěn)定性上仍與國外有不小的差距。尤其是我們還不能生產高強高模系列碳纖維。核心配方、核心裝備、核心工藝、核心輔料等方面均是制約因素。舉例來說，制備高強高模碳纖維需要石墨化爐，石墨化爐溫度要達到2800°以上，但國內受爐體原材料限制導致高溫裝備性能不穩(wěn)定，而且這些材料國外對我們是禁運的。未來，高性能碳纖維的攻關仍要突破諸多難題，也需要國家持續(xù)的支持。
“現(xiàn)在我們已經生產出能用的碳纖維了，下一步，我們要向‘好用’和‘用得起’的碳纖維突破。”徐樑華憧憬地告訴記者未來碳纖維行業(yè)的努力方向。
警惕碳纖維熱
全國性的碳纖維熱是不少科研人員擔憂的事情。早在2005年前后，碳纖維的研發(fā)進展引發(fā)了全國性的“碳纖維熱”，企業(yè)盲目重復投資建設了一批碳纖維生產線。日本碳纖維降價后，一些小企業(yè)因競爭力不足，備受打擊。近兩年，碳纖維又慢慢熱起來，行業(yè)專家不免擔憂碳纖維熱會重蹈覆轍。
2017年，浙江泰先新材料股份有限公司向法院申請破產。2018年，沈陽中恒也宣布破產。據徐樑華分析，這兩家碳纖維企業(yè)破產的原因在于產業(yè)規(guī)模和資金實力不足。碳纖維是一個運營周期很長的行業(yè)。起初不少企業(yè)建廠瞄準了軍用需求。但是國防軍用的需求十分有限?！澳壳爸袊卸辶姨祭w維企業(yè)。相比之下，美國有2家，日本有3家。中國需要未來有效產能達到萬噸的企業(yè)，3-5家碳纖維企業(yè)就夠了。畢竟碳纖維是小眾產品，市場需求并不大。”
對于近期碳纖維熱，工信部賽迪智庫原材料工業(yè)研究所副所長曾昆告訴《經濟》記者，這對行業(yè)產生的影響主要體現(xiàn)在以下三方面：一是導致資本等社會資源大量涌向碳纖維產業(yè)，容易造成低端產品過剩。二是短期投資熱容易造成行業(yè)過度競爭。資本競相流向碳纖維市場必然引起行業(yè)短期競爭加劇，國內碳纖維企業(yè)既要面對國外企業(yè)的價格打壓，又要和國內行業(yè)進行價格戰(zhàn)，企業(yè)盈利空間進一步被擠壓。三是投機資本可能會引起產業(yè)的波動。碳纖維產業(yè)投資周期長，需要資本長期支持。而短期資本的“投機”性質，大進大出容易影響產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，我們不能忽視“碳纖維熱”對產業(yè)長期發(fā)展的影響。
繼往開來加油干
在40年后的今天，碳纖維行業(yè)如何更上一層樓？眾多專家給出4點建議：一是，提高應用設計能力。由于碳纖維復合材料較為特殊，我們還需要提高設計能力和原創(chuàng)能力，而不是習慣性地跟風國外的應用。同時，我們要加強在前沿性拓展的布局，高質量和低成本地發(fā)展碳纖維。
二是，培養(yǎng)跨界人才。數學、物理學是從事非金屬材料應用研究的重要基礎。如何增強人才隊伍的數理水平，徐樑華建議，組織跨學科的團隊。譬如，將數理很強的材料力學設計的人才與材料界的人才快速融合，或許是突破材料應用設計瓶頸的有效方法。
三是，打破同質化競爭。目前國內碳纖維企業(yè)用同一種碳纖維制備工藝，80%的企業(yè)采用DMSO（二甲基亞砜）的工藝，而日本3家公司則采用3種不同的工藝。為了避免同種工藝路線受到局限，提高抵抗風險能力和差異化能力，我們需要創(chuàng)新制備工藝。
四是，建立碳纖維行業(yè)共享數據庫。2016年12月30日，四部委聯(lián)合發(fā)布《新材料產業(yè)發(fā)展指南》，提出兩化融合，目的是促進信息技術與新材料融合發(fā)展。不過，碳纖維材料的規(guī)格型號繁多，不僅有纖維絲束大小之分、性能高低不同，還存在不同的紡絲工藝、有不同的表面上漿劑；應用環(huán)節(jié)涉及不同的纖維制品形式、不同的樹脂體系、不同的成型工藝和不同的構件設計等。如果說T300級碳纖維復合材料像一棵樹冠繁盛的數據樹，那么，碳纖維所有的數據就像一片森林。
“山東大學碳纖維中心已經在建數據庫系統(tǒng)了，相關領域智能制造工程也在實施中?！敝觳ǜ嬖V記者，碳纖維生產工藝很復雜，利用大數據、人工智能技術可預測高性能碳纖維研究方向。同時，碳纖維智能制造，對碳纖維批量化生產，提高質量穩(wěn)定性和降低碳纖維生產成本意義重大。
來源：搜狐網
（以上文章系轉載，并不代表利特納米觀點，如涉及版權等問題，請聯(lián)系我們以便處理)
]]>碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。
碳纖維具有許多優(yōu)良性能，軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好等。
近年，在國家政策扶持下，我國碳纖維行業(yè)在關鍵技術、裝備、產業(yè)化生產及下游應用等方面均取得重大進展，千噸級工業(yè)化裝置陸續(xù)建成并投產，初步建立了從原絲、碳纖維到復合材料及制品全產業(yè)鏈，實現(xiàn)了從無到有的轉變。隨著我國工業(yè)快速發(fā)展，國內碳纖維年消費量不斷攀升。2008年，我國碳纖維需求量為2995.1噸。2010年達到4240.6噸，同比增長17.4%。2012年我國碳纖維需求量為6000噸，同比增長18.6%。
《中國碳纖維市場發(fā)展研究及投資前景報告》顯示，高性能碳纖維復合材料產業(yè)在我國具有廣闊的應用前景。針對我國能源、資源、環(huán)境、制造、交通等國民經濟支柱產業(yè)對高性能結構材料的迫切需求，研制出滿足航空航天、高速軌道交通、大型風力發(fā)電裝備等所需的碳纖維復合材料，不僅將為我國重大工程建設和重大裝備制造提供技術保障，而且將為我國從材料大國轉變?yōu)椴牧蠌妵於▓詫嵉幕A。
碳纖維自行車主要是中高檔的競賽用自行車，作為新興材料，碳纖維主要應用于車架（碳架）、前叉、輪組（碳刀車圈）等。
碳纖維車架具有三個明顯的特征：（1）重量輕，碳纖維車架是把碳纖維對著發(fā)生應力的方向層層疊而得到強度。碳纖維車架非常輕，是由低的密度和強的拉伸強度構成；（2）沖擊吸收性好，碳纖維用來制作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領域。利用它的吸收沖擊力優(yōu)異的性能，制作不用避震器的自行車；（3）可塑性強，制造各種形狀的車架。
碳纖維復合材料在民用飛機上的應用被特別看好，目前新增產能均以滿足航空需要的高性能碳纖維及復合材料為主，未來5～10年內碳纖維復合材料在民用飛機上的應用也將高速成倍增長。據統(tǒng)計，2008～2010年世界航空航天領域對碳纖維復合材料的總需求為2.4萬噸，預測2018年碳纖維復合材料的需求將達到2萬噸。隨著我國軍用飛機、支線飛機ARJ21及大型商用客機C919項目的開展和我國航天事業(yè)的發(fā)展，碳纖維復合材料的用量將會不斷增長。國內航空運輸市場的快速發(fā)展將對民用飛機產生巨大需求，預計到2023年，中國客貨運輸飛機擁有量將達到2769架。飛機制造業(yè)的發(fā)展將需要很多高性能的碳纖維增強飛機蒙皮鋁合金材料。面對國內和國際兩個市場，將發(fā)展形成巨大的產業(yè)。
]]>與普通鋼材相比，碳纖維的重量僅為其1/4，所以“輕快”與“低耗”是碳纖維復合材料車身最突出的特點與優(yōu)勢。據該公司總經理孟慶波介紹，這臺車身與普通用鋼材制造的傳統(tǒng)大型客車相比，總體重量減少了40％—60％，因此在消耗同樣油量或電量的情況下，車輛可多行駛150公里，經濟效益顯著。同時，碳纖維車身可以一次“織”成定型，極大地減少了部件結構間的焊接長度，從而使車輛整體的可操控性加強，由于碳纖維抗拉強度高達3500MPa以上，是鋼材的5—10倍，因此較傳統(tǒng)車型也更加堅固安全。
碳纖維復合材料具有輕量、高強、高彈以及高度耐損、耐熱等良好性能，目前在國際上已被廣泛應用于航空以及高檔賽車、轎車零部件的制造，但因工藝復雜和成本較高，民用領域尚處于起步階段。2012年，落戶于煙臺經濟技術開發(fā)區(qū)的煙臺鼎立汽車部件有限公司，通過技術攻關，成功實現(xiàn)了該產品成套裝備及生產工藝的國產化和系列化，填補了國內空白。
據了解，這種碳纖維大客車車身生產線將于今年在該公司正式投產，預計年產量1萬臺，年可實現(xiàn)銷售收入30億元。
?轉載請注明來源：碳纖維復合材料客車“摔不爛” – 碳納米材料網
]]>